(57)【要約】【課題】電気的な制御によって指向性を大きく変化させることが可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】ＥＢＧ構造を有する基板３のバンドギャップ面に配置される金属小板３５と、グランドとなる導電層３１との間に、コンデンサＣ，可変容量ダイオードＤを接続し、制御端子ＴＣを介して制御電圧Ｖを印加することによって、可変容量ダイオードＤの容量を調整可能に構成する。これにより、バンドギャップ面と対向して配置された線状アンテナ５をモノポールアンテナとして動作させる動作モード、金属小板３５と導電層３１とを連結するスルーホール群４１をアンテナ素子とした三素子アレーアンテナとして動作させる動作モード、金属小板３５をストリップアンテナとして動作させる動作モードの実現が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層及び該導電層を挟んで配置された一対の誘電体層からなる基部、前記基部の一方の面に互いに等間隔の隙間を空けて二次元的に配置された同一形状を有する複数の金属小板、前記導体層と前記金属小板のそれぞれとを電気的に連結する連結部を有し、前記金属小板の配置面が、特定周波数帯の電磁波の伝搬を阻止するバンドギャップ面として構成された基板と、
前記基板の前記バンドギャップ面側に、該バンドギャップ面に沿って配置され、前記特定周波数帯に属する作動周波数帯の電磁波を送受信する線状アンテナと、
を備え、前記連結部に、前記導体層と前記金属小板のそれぞれとの間のインピーダンスを個別に調整する第１の調整回路を設けたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記金属小板は、前記線状アンテナの直下に単列で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記線状アンテナの非給電端と前記導体層との間のインピーダンスを調整する第２の調整回路を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記調整回路は、可変容量コンデンサを用いて構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記調整回路は、前記可変容量コンデンサと前記金属小板との間に接続された短絡防止用のコンデンサを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記調整回路は、前記基板の前記バンドギャップ面とは反対側の面に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記基板は、前記バンドギャップ面を覆う誘電体からなる被覆層を備え、
前記線状アンテナは、前記被覆層上のパターンによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記基板を構成する一対の誘電体層のうち、前記金属小板と前記導電層とに挟まれた誘電体層を省略し、前記金属小板と前記導電層とが非接触状態で対向するように、前記基部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に構成するアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＧＰＳ（Global Positioning System ）やＥＴＣ（Electronic Toll Collection）等の車載無線端末との通信を行うシステムでは、車載用アンテナとしてパッチアンテナが多用されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−２６７８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、車載用アンテナは、ノイズの多い環境で使用されるため、可能な限りノイズが排除された状態で通信できるように、環境の変化に応じてアンテナの指向性を変化させることが行われている。但し、装置規模の増大を抑制するためには、機械的な制御によってアンテナの向きを変化させるのではなく、電気的な制御によってアンテナの特性（指向性）を変化させることが望ましい。
【０００４】
しかし、パッチアンテナ等の単一のアンテナを電気的に制御するだけでは、指向性を大きく変化させることが困難であるという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決するために、電気的な制御によって指向性を大きく変化させることが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためになされた本発明のアンテナ装置は、導電層及び該導電層を挟んで配置された一対の誘電体層からなる基部、前記基部の一方の面に互いに等間隔の隙間を空けて二次元的に配置された同一形状を有する複数の金属小板、前記導体層と前記金属小板のそれぞれとを電気的に連結する連結部を有し、前記金属小板の配置面が、特定周波数帯の電磁波の伝搬を阻止するバンドギャップ面として構成された基板と、前記基板の前記バンドギャップ面側に、該バンドギャップ面に沿って配置され、前記特定周波数帯に属する作動周波数帯の電磁波を送受信する線状アンテナとを備え、前記連結部に、前記導体層と前記金属小板のそれぞれとの間のインピーダンスを個別に調整する第１の調整回路を設けたことを特徴とする。
【０００６】
このように構成された本発明のアンテナ装置では、第１の調整回路によって、導体層と各金属小板との間のインピーダンスを適宜調整することによって、モノポールアンテナ，アレーアンテナ，パッチアンテナのいずれかとして機能させることができる。
【０００７】
即ち、作動周波数帯において導体層と各金属小板とが短絡していると見なせるように、両者間のインピーダンスを低く設定すれば、金属小板の配置面がＨＩＰ（ハイインピーダンスプレーン）となり、モノポールアンテナとして機能する。
【０００８】
また、作動周波数帯において導体層と各基板小板とを接合する接合部に同相の強い電流が流れるように、両者間のインピーダンスを調整すれば、各接合部をアンテナ素子とするアレーアンテナとして機能する。
【０００９】
更に、作動周波数帯において導体層と各金属小板とが絶縁していると見なせるように、両者間のインピーダンスを高く設定すれば、各金属小板はパッチアンテナとして機能する。
【００１０】
つまり、アレーアンテナ、又はパッチアンテナとして機能させる場合には、線状アンテナを介して金属小板や連結部に給電が行われるように導体層と金属小板との間のインピーダンスを調整している。
【００１１】
従って、本発明のアンテナ装置によれば、１つのアンテナを、第１の調整回路を電気的な制御によって、特性の異なった３種類のアンテナとして機能させることができ、機械的な制御を行うことなく、指向性を大きく変化させることができる。
【００１２】
なお、本発明のアンテナ装置において、金属小板は、線状アンテナの直下に単列で配置されていることが望ましい。
また、本発明のアンテナ装置には、線状アンテナの非給電端と導体層との間のインピーダンスを調整する第２の調整回路を設けてもよい。
【００１３】
この場合、第２の調整回路によって、作動周波数帯において線状アンテナの非給電端が開放端であると見なせるように、非給電端と導体層との間のインピーダンスを設定すれば、線状アンテナを共振型のアンテナとして機能させることができ、また、作動周波数帯において線状アンテナの非給電端で反射が生じないように終端された状態となるように、非給電端と導体層との間のインピーダンスを設定すれば、線状アンテナを進行波型のアンテナとして機能させることができる。
【００１４】
ところで、調整回路は、例えば、可変容量コンデンサを用いて構成することが考えられる。この場合、調整回路の規模を小型にできるだけでなく、可変容量コンデンサへの印加電圧を制御することによって、調整回路のインピーダンスを簡単に制御することができる。
【００１５】
また、調整回路は、前記可変容量コンデンサと前記金属小板との間に接続された短絡防止用のコンデンサを有していることが望ましい。この場合、何等かの理由で、線状アンテナが金属小板と接触したとしても、線状アンテナが導体層（グランド）に短絡してしまうことを防止できる。
【００１６】
また、調整回路は、基板のバンドギャップ面とは反対側の面に配置されていることが望ましい。この場合、調整回路を、基板の内部に配置する場合と比較して簡単に実装することができる。
【００１７】
また、基板は、バンドギャップ面を覆う誘電体からなる被覆層を備えていてもよく、この場合、線状アンテナは、被覆層上のパターンによって形成することが望ましい。
このように構成された本発明のアンテナ装置によれば、線状アンテナを基板に組み付ける必要がないため、製造工程を簡略化することができる。
【００１８】
更に、本発明のアンテナ装置では、基板を構成する一対の誘電体層のうち、金属小板と前記導電層とに挟まれた誘電体層を省略し、前記金属小板と導電層とが非接触状態で対向するように、基部が形成されていてもよい。
【００１９】
このように構成された本発明のアンテナ装置によれば、金属小板と導電層との間の誘電率を小さく抑えること、ひいては、これらの間に生じる浮遊容量の影響を最大限に抑えることができ、換言すれば、浮遊容量が許容できる範囲内で基板を最大限に薄型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜全体構成＞
図１は、車載用アンテナ装置１の構成を示す図であり、（ａ）がアンテナ装置１の平面図，（ｂ）がＡ−Ａ断面図，（ｃ）が底面図である。
【００２１】
図１に示すように、アンテナ装置１は、予め設定された特定周波数帯で高インピーダンスとなる構造を有した基板３と、その基板３上に配置され、特定周波数帯に属する作動周波数の電磁波の１／４波長分に相当する全長を有する線状アンテナ５と、基板３の線状アンテナ５が設置されたアンテナ設置面とは反対側の面に配置され、線状アンテナ５への給電に使用するコネクタ７とを備えている。
【００２２】
以下では、線状アンテナ５の両端部のうち、一方を給電端５ａ、他方を非給電端５ｂとよぶものとする。また、線状アンテナ５は、その両端部５ａ，５ｂ以外の部分が基板３と接触することがないように、基板面から隙間を開けて配置されている。
【００２３】
＜基板の構成＞
基板３は、金属製の導電層３１および導電層３１を挟んで積層された板状の誘電体からなる第１及び第２誘電体層３２，３３からなる基板基部３０と、基板基部３０の第１誘電体層３２側の外面を覆い、且つ、互いに等間隔の隙間を空けて一列に配列された同一形状（本実施形態では正方形）を有する複数（本実施形態では３個）の金属小板３５（３５ａ〜３５ｃ）とを備えている。
【００２４】
以下では、基板３（基板基部３０）において、金属小板３５が形成されている面をバンドギャップ面、反対側の面を回路実装面ともいう。
また、基板３は、一端が各金属小板３５の中心付近にそれぞれ接続され、他端が回路実装面上の端子ＴＰ１〜ＴＰ３を形成する第１のスルーホール群４１（４１ａ〜４１ｃ）と、一端がバンドギャップ面上で線状アンテナ５の給電端５ａ及び非給電端５ｂの取付孔Ｈ１，Ｈ２を形成し、他端がそれぞれ回路実装面上の端子ＴＡ１，ＴＡ２を形成する第２のスルーホール群４２（４２ａ，４２ｂ）と、一端が導電層３１に接続され、他端が回路実装面上の接地端子ＴＧ１〜ＴＧ４を形成する第３のスルーホール群４３（４３ａ〜４３ｄ）とを備えている。
【００２５】
なお、取付孔Ｈ１，Ｈ２の形成位置と重なる位置に配置された金属小板３５ａ，３５ｃには、その取付孔Ｈ１，Ｈ２やこれに取り付けられる線状アンテナ５と接触することがないように、取付孔Ｈ１，Ｈ２の周囲に第１誘電体層３２を露出させるための切欠部が形成されている。
【００２６】
また、導電層３１にも、基板基部３０を貫通する第１及び第２のスルーホール群４１，４２と接触することがないようにするための切欠部が形成されている。
そして、第１及び第２誘電体層３２，３３の厚さや材質（誘電率）、金属小板３５の数や大きさ、金属小板３５間の隙間の幅は、特定周波数帯にてバンドギャップ面が高インピーダンスとなるように設定されている。つまり、基板３は、いわゆるＥＧＢ構造を有している。
【００２７】
次に、基板３の回路実装面には、線状アンテナ５の終端抵抗を形成するスタブ４５、及び、後述する制御電圧Ｖ１〜Ｖ４を印加するための制御端子ＴＣ１〜ＴＣ４が形成されている。
【００２８】
そして、端子ＴＰｉ（但しｉ＝１，２，３）と接地端子ＴＧｉとは、制御端子ＴＣｉを挟んで対向するように配置されている。また、スタブ４５は、一端がアンテナ端子ＴＡ２に接続され、他端が、制御端子ＴＣ４を挟んで接地端子ＴＧ４と対向するように配置され、アンテナ端子ＴＡ１にはコネクタ７が接続されている。
【００２９】
また、端子ＴＰ１〜ＴＰ３と制御端子ＴＣ１〜ＴＣ３、及びスタブ４５と制御端子ＴＣ４との間には、それぞれ短絡防止用のコンデンサＣ１〜Ｃ４が接続され、制御端子ＴＣ１〜４と接地端子ＴＧ１〜ＴＧ４との間には、それぞれ可変容量ダイオードＤ１〜Ｄ４が接続されている。
【００３０】
そして、各制御端子ＴＣ１〜ＴＣ４には、それぞれ、周知の構成（ここではコイルとコンデンサ）を有するローパスフィルタ６０（ＬＰＦ１〜ＬＰＦ４）を介して、制御電圧Ｖ１〜Ｖ４が印加されるように構成されている。
【００３１】
ここで、図２は、金属小板３５又は線状アンテナ５の非給電端５ｂと、導電層３１と、各端子ＴＰ（ＴＰ１〜３）又はＴＡ２と、端子ＴＣ（ＴＣ１〜４）と、接地端子ＴＧ（ＴＧ１〜４）と、各素子Ｃ（Ｃ１〜４），Ｄ（Ｄ１〜４）と、ローパスフィルタＬＰＦ（ＬＰＦ１〜４）との接続関係を示す回路図である。
【００３２】
つまり、金属小板３５（端子ＴＰ）や線状アンテナ５の非給電端５ｂ（端子ＴＡ２）は、コンデンサＣ，可変容量ダイオードＤを介して導電層３１（接地端子ＴＧ）に接続され、コンデンサＣと可変容量ダイオードＤとの接続端である制御端子ＴＣに、ローパスフィルタＬＰＦを介して制御電圧Ｖを印加することによって、可変容量ダイオードＤの容量分を変化させることができるように構成されている。この端子ＴＰ又はＴＡ２から、接地端子ＴＧまでの回路構成、及び金属小板３５毎に設けられた第１のスルーホール群４１、線状アンテナ５の非給電端５ｂに設けられたスルーホール４２ｂが、本発明における連結部に相当する。
【００３３】
ここで図３は、線状アンテナ５の給電端５ａでの反射損失（入力インピーダンス）と、入力信号の周波数との関係を、可変容量ダイオードＤ１〜Ｄ３の容量分を変化させて示したグラフである。
【００３４】
図示されているように、信号周波数を固定した場合、可変容量ダイオードＤ１〜Ｄ３の容量分を数ｐＦ変化させることによって、反射損失は最大（２．５７ＧＨｚ付近）で−２ｄＢ〜−１８ｄＢの間で変化し、線状アンテナ５の非給電端５ｂを開放状態からスタブ４５を介して終端された状態まで変化させることができる。また、可変容量ダイオードＤ４の容量を変化させた場合には、線状アンテナ５の共振周波数を変化させることができる。
【００３５】
なお、コンデンサＣｊ（ｊ＝１〜４）は、作動周波数において短絡していると見なせる程度に十分に小さなインピーダンスとなるように、大きな容量のものが用いられ、また、可変容量ダイオードＤｊは、制御電圧Ｖｊ＝０では、作動周波数において十分にインピーダンスが小さく、制御電圧Ｖｊを最大Ｖｍａｘにした時には、作動周波数において開放と見なせる程度に十分にインピーダンスが大きくなるように設定されている。つまり、作動周波数において、金属小板３５又はスタブ４５（ひいては線状アンテナ５の非給電端５ｂ）と導電層３１とは、電圧０＜Ｖｊ＜Ｖｍａｘでは、金属小板３５やスタブ４５から導電層３１に至る経路長（スルーホールを通過する信号の位相）が、電圧の大きさに応じて変化するように構成されている。
【００３６】
＜アンテナの動作モード＞
このように構成されたアンテナ装置１は、制御電圧Ｖ１〜Ｖ４を適宜変更することによって、モノポールアンテナモード、三素子アレーアンテナモード、マイクロストリップアンテナモードからなる三つの動作モードで動作させることができる。
【００３７】
＜＜モノポールアンテナモード＞＞
モノポールアンテナモードでは、線状アンテナ５の非給電端５ｂがほぼ開放された状態（共振型のアンテナ）となるようにＶ４を設定すると共に、基板３がＥＢＧ基板として機能するようにＶ１〜Ｖ３を設定する。
【００３８】
これにより線状アンテナ５直下の基板３には逆電流が流れないため、線状アンテナ５はモノポールアンテナ（逆Ｌアンテナ）として動作する。
図４（ａ）は、アンテナ装置１をモノポールアンテナモードで動作させた時の電流分布を模式的に示した説明図である。なお、図中において矢印で示したものが電流分布である（以下同様）。
【００３９】
＜＜三素子アレーアンテナモード＞＞
三素子アレーアンテナモードでは、線状アンテナ５の非給電端５ｂがほぼ開放された状態（共振型のアンテナ）となるようにＶ４を設定すると共に、第１のスルーホール群に同相の強い電流が流れるようにＶ１〜Ｖ３を適宜設定する。
【００４０】
これにより、第１のスルーホール群４１のそれぞれが、個々のアンテナ素子として動作し、その全体として、三素子アレーアンテナとして動作することになる。
図４（ｂ）は、三素子アレーアンテナモードで動作させた時の電流分布を模式的に示した説明図である。
【００４１】
＜＜マイクロストリップアンテナモード＞＞
マイクロストリップアンテナモードでは、線状アンテナ５の非給電端５ｂがほぼ開放された状態（共振型のアンテナ）となるようにＶ４を設定すると共に、金属小板３５と導電層３１とが切り離された状態となるようにＶ１〜Ｖ３を適宜設定する。
【００４２】
これにより、金属小板３５が、線状アンテナ５からの給電を受けて動作するパッチアンテナとして動作する。
図４（ｃ）は、マイクロストリップアンテナモードで動作させた時の電流分布を模式的に示した説明図である。
【００４３】
なお、ここでは、各動作モードにおいて、線状アンテナ５を共振型のアンテナとして動作させているが、線状アンテナ５の非給電端５ｂがほぼ終端された状態となるようにＶ４を設定することで、線状アンテナ５を進行波型のアンテナとして動作させてもよい。
【００４４】
＜測定＞
図５は、アンテナ装置１を各動作モードで動作させた時のアンテナ特性の測定結果を示すグラフであり、（ａ）がモノポールアンテナモード、（ｂ）が三素子アレーアンテナモード、（ｃ）がマイクロストリップアンテナモードである。
【００４５】
但し、図６に示すように、線状アンテナ５に沿った方向をＹ軸、基板３の厚さ方向をＺ軸、その両者に直交する方向をＸ軸として、Ｘ−Ｚ平面での垂直偏波特性、水平偏波特性を求めたものであり、Ｚ軸の方向、即ち、基板３のバンドギャップ面の法線方向を０°として示したものである。
【００４６】
また、基板基部３０は、縦（Ｙ軸方向）：４２．５ｍｍ×横（Ｘ軸方向）：１４．５ｍｍ×厚さ（Ｚ軸方向）：３．２ｍｍ、比誘電率が４のガラスエポキシ基板からなる。線状アンテナ５は、長さ：３３ｍｍ、基板３のバンドギャップ面からの高さ：０．５ｍｍであり、金属小板３５のサイズは１３．５ｍｍ（縦）×１３．５ｍｍ（横）であり、金属小板３５間の間隔は０．５ｍｍである。
【００４７】
図５に示す特性に基づき、例えば、アンテナ装置１を車車間通信に使用する場合、車両が少ない場合は、モノポールアンテナモード（垂直偏波）で動作させて、車両の周囲の全方向について通信を処理し、車両が多い場合は、マイクロストリップアンテナモード（垂直偏波）で動作させて、前方の通信を重点的に処理し、交差点などでは、三素子アレーアンテナモード（水平偏波）で動作させて、側方の通信を重点的に処理する等の切替制御を行うことが考えられる。
＜効果＞
以上説明したようにアンテナ装置１は、ＥＢＧ構造を有する基板３のバンドギャップ面に配置される金属小板３５と、グランドとなる導電層３１とを単純に接続するのではなく、可変容量ダイオードＤを介して接続し、この可変容量ダイオードＤの容量を調整することによって、互いに特性の異なる三つの動作モードで動作するように構成されている。
【００４８】
従って、アンテナ装置１によれば、動作モードを切り替えることによって、アンテナの指向性を大きく変化させることができ、しかも、動作モードの切替を、制御電圧Ｖを変化させる電気的な制御によって実現することができる。
【００４９】
また、アンテナ装置１によれば、制御電圧Ｖが印加される制御端子ＴＣと金属小板３５やスタブ４５との間にコンデンサＣが設けられているため、何等かの理由で線状アンテナ５と金属小板３５が導通したとしても、制御電圧Ｖの供給元と、線状アンテナ５の給電元とが短絡してしまうことを防止できる。
＜他の実施形態＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
【００５０】
例えば、上記アンテナ装置１では、線状アンテナ５が基板３のバンドギャップ面と接触しないように、両者間に隙間を設けて配置したが、隙間を設ける代わりに、図７（ａ）に示すアンテナ装置１ａのように、バンドギャップ面を構成する金属小板３５を第１誘電体層３２に埋設して、第１誘電体層３２と接触させて線状アンテナ５を配置したり、第１誘電体層３２上に形成したパターンを線状アンテナ５として用いたりしてもよい。
【００５１】
この場合、線状アンテナ５と基板３との間の絶縁を確実なものとすることができると共に、バンドギャップ面からの線状アンテナ５の突出量を最小限に抑えることができ、アンテナ装置１をより薄型化することができる。また、この場合、線状アンテナ５と基板３とは両者間に充填された第１誘電体層３２によって確実に絶縁されるため、短絡防止用のコンデンサＣ１〜Ｃ４を省略してもよい。
【００５２】
更に、線状アンテナ５を含めた基板３のバンドギャップ面の全体を、高誘電体層で覆うように構成してもよい。この場合、高誘電体層による波長短縮効果により、線状アンテナ５のサイズを小さくすることができ、アンテナ装置１をより小型化することができる。
【００５３】
また、上記アンテナ装置１では、基板基部３０に導電層３１と金属小板３５との間が第１誘電体層３２で満たされているが、図７（ｂ）に示すアンテナ装置１ｂのように、第１誘電体層３２を薄く形成し、その第１誘電体層３２と金属小板３５とが空間を介して対向するように構成してもよい。
【００５４】
この場合、導電層３１と金属小板３５との間に生じる浮遊容量の影響を最大限に抑制することができ、逆に言えば、許容される浮遊容量が一定であれば、その範囲で最大限に導電層３１と金属小板３５との間隔を接近させることができ、アンテナ装置１をより薄型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】アンテナ装置の平面図，Ａ−Ａ断面図，底面図。
【図２】連結部を構成する回路図。
【図３】可変容量コンデンサの作用を表すグラフ。
【図４】各動作モードでの電流分布を模式的に示した説明図。
【図５】各動作モードについてＸーＺ平面でのアンテナ特性を示すグラフ。
【図６】ＸＹＺ軸とアンテナ装置との関係を示す説明図。
【図７】変形例のアンテナ装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００５６】
１，１ａ，１ｂ…アンテナ装置  ３…基板  ５…線状アンテナ  ５ａ…給電端  ５ｂ…非給電端  ７…コネクタ  ３０…基板基部  ３１…導電層  ３２，３３…誘電体層  ３５…金属小板  ４１，４２，４３…スルーホール群  ４５…スタブ  Ｃ…コンデンサ  Ｄ…可変容量ダイオード  Ｈ…取付孔  ＬＰＦ…ローパスフィルタ  ＴＡ…アンテナ端子  ＴＣ…制御端子  ＴＧ…接地端子  ＴＰ…端子
【図２】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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